[서울신문 나우뉴스]겉에서는 전혀 내부를 볼 수 없는 불투명한 상자 속 물건을 꺼내지 않고 촬영해낼 수 있을까? 먼저 이것이 가능하려면 두 개의 물체가 공간적으로 아무리 떨어져 있어도 연결고리가 존재한다는 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 이론과 물체를 투과하는 광양자 빛만으로 사진을 찍어낼 수 있음을 증명해야만 한다.

그런데 최근 이것이 가능할 수도 있다는 실험결과가 나왔다. 세계적 과학 전문 주간지 네이처(Nature)는 오스트리아 과학 아카데미(Austrian Academy of Sciences) 연구진이 카메라 렌즈와는 상관없이 광양자 빛만으로 고양이 이미지를 촬영해내는데 성공했다고 27일(현지시간) 보도했다.

먼저 해당실험을 정확히 이해하기 위해서는 양자역학의 기본 원리와 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 이론을 알아야한다. 이를 간략히 소개하자면 다음과 같다. 먼저 양자역학(quantum mechanics)은 원자, 분자, 소립자와 같은 미시적 대상에 대한 역학으로 거시적 현상에 집중하는 고전역학과는 많은 부분이 차이가 난다. 특히 다른 부분은 고전역학이 미래를 예측할 수 있다는 결정론적(deterministic) 입장을 취하는 반면, 양자역학은 현재는 정확히 알아도 미래 일을 예측하는 것은 불가능하다는 확률론적(probabilistic) 입장을 가지고 있다. 즉, 양자역학은 인과율 법칙보다는 우연성에 더 많은 무게를 두고 있는 것이다.

양자역학의 토대는 지난 1905년, 아인슈타인이 뉴턴으로 대표되는 고전역학의 한계를 지적한 상대성역학(relative mechanics)에서부터 시작된다. 양자역학의 핵심은 미시적 세계에서 발생하는 사건은 사건이 직접 목격되기 전까지는 확률적으로만 계산되며 서로 다른 상태가 지속적으로 공존한다. 이것이 앞서 설명한 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 이론과 연결된다.

이에 대해 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학이 불완전하다는 점을 지속적으로 의심해왔고 1935년 이를 증명할 한 가지 가상실험을 고안하게 된다. 먼저 고양이 한 마리와 알파입자(헬륨 원자핵)를 외부와 차단된 불투명 상자 속에 집어놓고, 다시 해당 상자를 독가스가 들어있는 통과 연결시킨다. 독가스는 방사능 검출 기계와 연결된 밸브에 의해 아직 상자 속으로 주입되지 않은 상황이다. 하지만 상자 속 알파입자가 감지되면 밸브는 자연히 열리게 되고 고양이는 사망하게 된다. 단, 이 알파입자는 시간 당 50%의 확률로 붕괴되도록 설정된 상황이기에 고양이 죽거나 살 확률 역시 50%다.

실질적으로 한 시간 후 상자를 열었을 때 나타날 결과는 첫째, 독가스에 죽은 고양이와 붕괴된 알파입자, 둘째 살아있는 고양이와 붕괴되지 않은 알파입자 두 가지 뿐이다. 하지만 양자역학 이론적으로만 보면 고양이와 알파입자는 죽지도 살지도 못한 50% 상태로 존재할 수 있다. 즉, 삶과 죽음 모두 한 공간에 공존할 수 있다는 것이다.

문제는 상자를 여는 순간, 결과는 고양이가 죽거나 살거나 한 가지 형태로밖에 고정될 수 없다. 삶과 죽음의 공존을 목격하려면 상자를 열지 않은 상황에서 내부모습을 볼 수 있어야만 한다. 오스트리아 과학 아카데미(Austrian Academy of Sciences) 연구진이 행한 실험은 바로 이 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 상자 안에 둔 채로 촬영할 수 있는지 여부를 알아본 것이다.

연구진은 노란색과 빨간색 두 가지 광양자 빛을 이용해 고양이를 촬영하는 시도를 했다. 본래 카메라라는 매개체를 이용해 사물이 찍힌다는 즉, 상태에 관한 정보는 항상 관련 주위를 통해서만 매개될 수 있다는 국소성의 원리를 넘어 전달통로만 형성되면 별다른 매개체를 통하지 않고도 정보를 전달할 수 있다는 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’ 원리를 이용한 것이다.

연구진은 노란색 광양자 빛이 빨간색 광양자 빛에 얽히는 방식으로 일정한 고양이 이미지를 만들어내는데 성공했다. 이는 불투명한 상자 안의 물체를 별도의 과정 없이 그 자체로 투과해 찍어낼 수 있는 가능성을 제시하는 것이기에 의미가 크다. 연구진은 해당 실험결과가 향후 광양자를 이용한 화상 카메라 기술 개발로도 이어질 수 있다고 설명했다.

사진=Nature　

조우상 기자 wscho@seoul.co.kr

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